南京某超限高層結構抗震分析

馬中華 付修兵 李 曜

(南京長江都市建筑設計股份有限公司，江蘇 南京 210002)

1 工程概況

本工程位于南京市建鄴區，為超高層辦公塔樓，地上33層，地下4層，建筑高度為145.8 m，結構屋面高度為136.0 m，地上總建筑面積為5.7萬m2，1層商業配套層高為4.63 m，13層、24層避難層層高5.5 m，標準層層高4.0 m。本文針對該超高層辦公塔樓進行抗震性能分析。建筑效果圖如圖1所示。

2 結構超限分析

塔樓結構高度136.0 m，采用混凝土框架—核心筒結構體系，依據JGJ 3—2010高規大于A級高度限值130 m，小于B級高度限值180 m，屬于B級高度超限高層建筑。

塔樓底層大廳挑空，局部存在穿層柱，由于挑空導致2層樓板開洞面積大于30%，構成樓板不連續，規定水平力作用下考慮偶然偏心的扭轉位移比1.32>1.2，構成扭轉不規則。

綜上所述，該塔樓含三項不規則，屬于一般不規則的超限高層建筑，應進行超限高層建筑工程抗震專項設計。

3 結構抗震性能目標及性能設計方法

3.1 結構抗震性能目標的選取

針對超限情況，依據JGJ 3—2010高規和《超限高層建筑工程抗震設防審查技術要點》，該塔樓的整體抗震性能目標定義為D級，不同部位結構構件的要求詳見表1。

表1 抗震性能目標

3.2 設防地震作用下抗震設計

在設防地震不屈服工況下對墻體拉應力進行驗算，考慮偶偏、雙向地震作用，荷載組合系數、抗震調整系數均取1.0，不計風荷載，材料強度取標準值。在上述工況下，統計底部四層墻肢拉應力均小于混凝土抗拉強度標準值，可不設置型鋼柱，對于出現拉應力的墻肢采取如下加強措施：按照特一級構造且縱向鋼筋必須采用機械連接。

在設防地震彈性工況下設計底部加強區剪力墻的水平鋼筋和外圍框架柱的箍筋，以滿足既定的性能目標。

在設防地震不屈服工況下設計底部加強區剪力墻和外圍框架柱的縱向鋼筋，并與小震彈性工況包絡設計，以滿足既定的性能目標。

3.3 罕遇地震作用下抗震設計

在罕遇地震不屈服工況下驗算底部墻肢、外圍框架柱的剪壓比，均小于0.15的限值，滿足JGJ 3—2010高規的規定，保證了剪力墻的延性，滿足既定的性能目標。

4 計算分析

4.1 多遇地震作用下的反應譜計算

本工程采用SATWE進行多遇地震作用下的反應譜計算，并采用ETABS進行補充計算。結構計算過程中，分別考慮雙向地震下的扭轉影響和單向地震下的偶然偏心影響，并補充30°，46°角方向進行地震作用計算。周期折減系數0.85，計算振型數30，連梁剛度系數0.6(風荷載工況取1.0)，考慮P—Δ效應，主要計算結果見表2。

由表2可知，累計有效質量參與系數達到90%以上，結構前兩個振型為平動，第三振型為扭轉，第一扭轉周期與第一平動周期比值均小于0.85，地震作用、風荷載作用下最大層間位移角均小于1/800，兩個模型分析結果相差在5%以內，說明計算模型及結果合理、可靠。

表2 SATWE與ETABS計算結果對比

4.2 多遇地震作用下的彈性時程分析

本項目采用SATWE進行了彈性時程分析，用以復核CQC的計算結果。在SATWE軟件波庫中選取出五組天然波及兩組人工波，見表3。表4給出了時程分析法計算出的底部剪力與振型反應譜分析法計算出的底部剪力。個別樓層地震波產生的樓層剪力大于CQC的計算結果，需要按比例放大每個樓層的地震剪力，調整系數如表5所示。

表3 地震波選用表

表4 彈性時程分析計算結果

由表4可知，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力均不小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65%，7條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法求得的底部剪力的80%，滿足規范對選波的要求。

由表5可知，樓層剪力放大系數最大值分別在27層、32層，按照上表調整系數，對結構進行CQC補充分析。

表5 地震剪力放大系數

4.3 罕遇地震作用下的彈塑性時程分析

為研究罕遇地震下的結構變形、構件損傷等，對該塔樓在罕遇地震作用下進行結構動力彈塑性分析。分析軟件采用SAUSAGE軟件。

根據JGJ 3—2010高規的規定，此次分析選取兩組天然波和一組人工波。地震波的反應譜曲線與規范給出的主方向反應譜曲線在結構主要振型的周期點上相差不大于20%，滿足規范規定的“在統計意義上相符”的規定，地震波分組見表6。

表6 地震波分組

結構在罕遇地震下動力彈塑性分析的底部剪力與多遇地震(CQC法)彈性分析的底部剪力的對比見表7。由表7可知，大震彈塑性時程基底剪力為小震彈性基底剪力的3.1倍～3.7倍，地震作用效應在合理的范圍內，反映了大震彈塑性工況下結構整體耗能能力較好。

表7 結構最大基底剪力比較

結構在罕遇地震下動力彈塑性分析的結構頂點最大位移、最大層間位移角見表8。由表8可知，X向、Y向的最大層間位移角分別為1/154，1/181，均滿足規范限值(小于1/100)要求。

表8 結構層間位移角及頂點最大位移

人工波RH04作用下，結構底部剪力、層間位移角最大，以人工波RH04的計算結果進行分析。底部加強區墻體在罕遇地震下性狀良好，破壞集中出現在連梁上，墻體損傷系數超過0.1的范圍僅出現在核心筒角部區域，且范圍較小，施工圖階段通過加大該處邊緣構件配筋率進行加強。底部加強區墻肢損傷情況見圖2。

框架柱的最大受壓損傷因子為0.07，屬于輕度損傷，基本處于彈性狀態，整體性能良好。

框架梁的最大受壓損傷因子為0.50，鋼筋塑性應變最大為3.60e-3，損傷集中在梁與核心筒交接處及結構平面角部，其他區域的框架梁損傷很小。

由于底層樓板開大洞，樓板受壓損傷主要集中在核心筒周邊及大洞口周邊位置，損傷情況不顯著，樓板內鋼筋未屈服。

5 結語

綜上所述可以得到如下研究結論：

1)多遇地震作用下，主體結構保持彈性，SATWE和ETABS兩個軟件計算的各項指標差距在5%以內且滿足規范要求。

2)罕遇地震作用下，X，Y方向層間位移角均小于1/100，結構始終保持直立。

3)結構能夠達到預期的抗震性能目標。

4)結構方案合理、可靠。本工程已于2018年6月通過超限高層建筑工程初步設計抗震設防審查。